翁博文吳繼熠汪 濤李永明郭 健

(1.杭州華燁交通工程檢測(cè)有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310000;3.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

在各種橋梁致毀因素中,水毀因其顯著的突發(fā)性和破壞性已成為橋梁倒塌損毀的重要因素[1-2],其中絕大部分橋梁水毀的主要原因是基礎(chǔ)局部受沖刷。水流在自身的渦旋作用以及受到橋墩的阻水作用的共同影響下,對(duì)橋墩附近的泥沙進(jìn)行沖刷。泥沙在水流動(dòng)力搬運(yùn)下發(fā)生移動(dòng),使得橋梁基礎(chǔ)埋置深度明顯減少,降低橋梁豎向承載力,危害橋梁安全。沖刷的發(fā)生和發(fā)展是非常復(fù)雜的過(guò)程,沖刷深度涉及周圍流場(chǎng)、泥沙和橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用,流體動(dòng)力特性、泥沙性質(zhì)、橋墩幾何形狀等都對(duì)橋梁基礎(chǔ)沖刷有顯著影響[3]。多年來(lái),許多學(xué)者進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究,針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行測(cè)試,探究沖刷機(jī)理[4-8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)因其求解偏微分方程近似解的便利性以及強(qiáng)大的計(jì)算能力[9-10]被廣泛學(xué)者所青睞,越來(lái)越多的數(shù)值模擬計(jì)算方法在橋梁基礎(chǔ)局部沖刷的數(shù)值研究中發(fā)揮作用[11-14]。Olsen等[15]最早將數(shù)值仿真引入三維橋墩局部沖刷計(jì)算研究,采用泥沙-流體耦合的N-S方程進(jìn)行橋墩局部沖刷模擬,證明了數(shù)值模擬在于模擬橋墩局部沖刷的可行性。韋雁機(jī)等[16]基于OpenFOAM進(jìn)行單樁沖刷數(shù)值模擬計(jì)算,并與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比證明了OpenFOAM軟件研究橋梁基礎(chǔ)沖刷的可行性。為減少局部沖刷對(duì)于橋梁安全的影響,橋梁在設(shè)計(jì)與維護(hù)中需要采取一些必要的局部沖刷安全防護(hù)方法,在過(guò)去的幾十年里,學(xué)者們針對(duì)局部沖刷安全防護(hù)方法開(kāi)展了許多研究,如柏濤等[17]為減少串聯(lián)環(huán)翼式橋墩沖坑大小以及近底垂向流速,在單向流條件下,分別研究下游側(cè)橋墩防沖板的數(shù)量、安裝位置以及墩間距對(duì)于沖刷深度的影響;陳養(yǎng)厚等[18]提出了一種沖刷防治方法,在樁基四周設(shè)置自埋阻流裝置,減少渦流以及下降水流對(duì)于樁腿附近泥沙的搬運(yùn)作用;Chiew等[19]通過(guò)護(hù)圈改變了向下射流的方向,通過(guò)降低向下射流和床面渦系的強(qiáng)度來(lái)減少橋梁樁基礎(chǔ)受到的沖刷影響。

近年來(lái),數(shù)值模擬因其靈活性高、消耗研究時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,但針對(duì)橋梁局部沖刷安全防護(hù)方法的對(duì)比數(shù)值模擬研究較少,筆者基于Melville經(jīng)典水槽實(shí)驗(yàn),運(yùn)用Flow-3D數(shù)值仿真軟件,對(duì)比研究大渦湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型的差異,基于不同樁徑以及樁心距的犧牲樁防護(hù)方法和“犧牲樁+護(hù)圈”共同作用的防護(hù)方法建立數(shù)值模型,選擇求解精度更高的湍流模型進(jìn)行計(jì)算,分析兩種不同的局部沖刷安全防護(hù)方法對(duì)橋梁最大沖刷深度的影響,為工程橋梁沖刷安全防護(hù)的實(shí)踐應(yīng)用提供借鑒。

1 數(shù)值方法研究

流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有不確定性,因此在研究中通常通過(guò)求解N-S方程描述流體流動(dòng)的過(guò)程。N-S方程由表征流體質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程與表征流體動(dòng)量守恒的動(dòng)量方程組成,該方程在直角坐標(biāo)系下可表示為

(1)

動(dòng)量方程式為

(2)

式中:Ax,Ay,Az分別為水流在直角坐標(biāo)系上x,y,z方向的面積分?jǐn)?shù);u,v,w分別為坐標(biāo)系方向上的速度分量;t為時(shí)間;VF為水流體積分?jǐn)?shù);ρ為水流流體密度;p為水流所受壓力;gx,gy,gz分別為坐標(biāo)系方向上的體積力加速度;fx,fy,fz分別為坐標(biāo)系方向上的黏滯力加速度。在N-S方程中,輸入初始時(shí)刻水流的速度,壓力以及體積力等相關(guān)參數(shù),通過(guò)求解連續(xù)性方程以及動(dòng)量方程獲得下一時(shí)間步的水流流速與壓力,通過(guò)多次迭代計(jì)算,獲得計(jì)算時(shí)間內(nèi)的水流速度場(chǎng)以及壓力分布變化情況。

工程實(shí)際中出現(xiàn)的流動(dòng)多數(shù)為湍流,因此在數(shù)值模擬中求解流體N-S方程時(shí),需要選擇合適的湍流模型來(lái)提高數(shù)值模擬求解精度以及減少計(jì)算時(shí)間。Flow-3D能夠提供多種湍流模型,如一方程模型、二方程中的標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型、RNGk—ε湍流模型、k—ω湍流模型以及大渦湍流模型等,將選用大渦湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

大渦湍流模型將對(duì)N-S方程進(jìn)行過(guò)濾處理,得到方程式為

(3)

(4)

(5)

則式(4)可以寫為

(6)

Smargorinsky渦黏模式可以滿足工程流動(dòng)的精度需要,Smargorinsky渦黏模式的亞格子雷諾應(yīng)力模式為

(7)

另一種湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型,對(duì)N-S方程求解時(shí)間平均,其中,需要對(duì)脈動(dòng)能k與湍流耗散率ε進(jìn)行計(jì)算,脈動(dòng)能k為

(8)

湍流耗散率ε為

(9)

式中:k為湍流動(dòng)能;μt為湍流動(dòng)黏度;ε為湍流動(dòng)能耗散率;Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng);Sk,Sε為自定義項(xiàng);標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型中C1ε,C2ε,Cμ為實(shí)驗(yàn)系數(shù),C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σK=1.0,σε=1.3。

大渦湍流模型的基本思想是考慮波對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響,通過(guò)對(duì)于波形的過(guò)濾將流體的瞬時(shí)脈動(dòng)波分解為大尺度脈動(dòng)和小尺度脈動(dòng)兩個(gè)部分,湍流大尺度脈動(dòng)可通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格解析直接計(jì)算,小尺度脈動(dòng)產(chǎn)生的影響無(wú)法直接解析,故在大渦湍流模型中使用亞格子網(wǎng)格模擬。對(duì)于橋墩沖刷數(shù)值模擬來(lái)說(shuō),計(jì)算網(wǎng)格的大小設(shè)置是非常重要的,網(wǎng)格作為空間過(guò)濾器,任何小于網(wǎng)格尺寸的脈動(dòng)波都無(wú)法直接計(jì)算,網(wǎng)格大小的選擇,直接影響計(jì)算精度。標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型的基本思想是考慮雷諾平均模擬,通過(guò)對(duì)N-S方程求解時(shí)間平均,來(lái)描述湍流所有長(zhǎng)度尺度上統(tǒng)計(jì)量的演變過(guò)程。但是雷諾平均模擬中脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程出現(xiàn)雷諾應(yīng)力項(xiàng),因此需要對(duì)脈動(dòng)方程進(jìn)行封閉,通過(guò)求解標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型,可得到雷諾應(yīng)力與湍流黏度的關(guān)系,而湍流黏度的確定,需要求解脈動(dòng)能k和湍流耗散率ε。

2 數(shù)值模擬計(jì)算域確定與網(wǎng)格劃分

2.1 實(shí)驗(yàn)參考

參考Melville的經(jīng)典水槽實(shí)驗(yàn)[8],實(shí)驗(yàn)水槽布置如圖1所示。

圖1 Melville沖刷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig.1 Melville scour test model layout

實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)度取19 m,寬為45.6 cm,床底布置中值粒徑為0.385 mm的均勻沙,中間布置直徑D為5.08 cm的橋墩模型,實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。

表1 工況參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters of operation condition

由表1可知:在Melville實(shí)驗(yàn)中單樁局部沖刷在30 min達(dá)到平衡狀態(tài),最大沖刷深度為4 cm,故選取計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為30 min。

2.2 FAVOR技術(shù)網(wǎng)格劃分

基于Flow-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,Flow-3D獨(dú)特的FAVOR技術(shù)可通過(guò)捕捉網(wǎng)格內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)確定固體表面位置,網(wǎng)格劃分效果較好且不易變形,能有效提高計(jì)算速率。在橋墩局部沖刷的數(shù)值模擬中,FAVOR技術(shù)可以監(jiān)控每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)固相的體積分?jǐn)?shù)在每個(gè)計(jì)算步內(nèi)的變化情況,得到連續(xù)的沖刷動(dòng)態(tài)變化情況。

參考實(shí)驗(yàn)資料并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),將模型的計(jì)算域設(shè)為長(zhǎng)度14D(D為數(shù)值模擬中圓柱形橋墩的直徑,數(shù)值為5.08 cm),寬度為7D,橋墩居中布置,計(jì)算高度為30 cm,其中床沙高度為5 cm,流體高度為15 cm。模型入口邊界條件設(shè)置為速度邊界,設(shè)置流速為0.25 m/s,出口條件為壓力邊界,控制出口水位高度防止出現(xiàn)水流高度驟降的情景,設(shè)置水位15 cm。底面采用壁面邊界,其他為對(duì)稱邊界,保證邊壁不對(duì)水流產(chǎn)生擠壓,避免邊壁對(duì)沖刷產(chǎn)生影響。此外,在流量變量梯度變化相對(duì)較大的橋墩附近,對(duì)網(wǎng)格采用局部嵌套的方法,在保證精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算量,減少計(jì)算時(shí)間。該模型共設(shè)置兩層不同大小的網(wǎng)格塊,相鄰網(wǎng)格塊之間的網(wǎng)格尺度比值為1∶2,網(wǎng)格塊密度由外向內(nèi)增大,網(wǎng)格數(shù)量約有27.4萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分情況如圖2,3所示。

圖2 模型計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid generation of model computing domain

圖3 數(shù)值模型邊界層設(shè)置圖Fig.3 Boundary layer setting diagram of numerical model

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

3.1 局部沖刷形態(tài)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)初始階段,橋墩的存在收束了河道的寬度,使墩側(cè)水流產(chǎn)生局部加速,從而引起床面水流剪應(yīng)力超過(guò)泥沙啟動(dòng)剪切應(yīng)力,形成泥沙搬運(yùn),橋墩局部沖刷逐漸發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型計(jì)算的局部沖刷坑形態(tài)與Melville實(shí)驗(yàn)[8]的對(duì)比情況如圖4所示。其中,圖4(a)顯示墩前局部沖刷深度大于墩后局部沖刷深度;圖4(c)顯示墩側(cè)沖刷坑對(duì)稱分布,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖4 沖刷坑形態(tài)對(duì)比(30 min)Fig.4 Comparison of the shapes of local scour holes (30 min)

兩種湍流模型計(jì)算30 min后橋墩沖刷坑的形態(tài)對(duì)比情況如圖5所示。由圖5可知:標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型與大渦湍流模型都能夠很好的捕捉橋墩附近的沖刷發(fā)展過(guò)程,數(shù)值模擬具有良好的三維特性,最大沖刷深度的位置出現(xiàn)在圓墩前緣的45°迎角。

圖5 三維橋墩局部沖刷深度對(duì)比(30 min)Fig.5 Comparison of 3D pier scour depth (30 min)

在筆者研究的網(wǎng)格劃分條件下,兩種湍流模型最大沖刷深度計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 兩種湍流模型最大沖刷深度對(duì)比

由表2可知:采用大渦模型得到的沖刷深度更接近Melville經(jīng)典實(shí)驗(yàn),采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型得到的計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況偏大,這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型存在各項(xiàng)同性問(wèn)題,而大渦湍流模型可以更加精確模擬湍流各方向的細(xì)節(jié),更好地模擬墩前的湍流脈動(dòng)。

3.2 墩周三維流態(tài)研究

沖刷平衡階段,橋墩附近沿水槽中心線剖面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)比情況如圖6所示。由圖6可知:兩種湍流模型均能模擬出由于橋墩阻水作用而形成的墩前壅水和下降水流,下降水流直到河底,水流在河底形成與水流方向相反的漩渦,這部分漩渦是橋墩局部沖刷出現(xiàn)的主要原因。

圖6 沿水槽中心線剖面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.6 Comparison of the flow field structure along the central line of the flume

兩種湍流模型條件下,橋墩附近流速情況對(duì)比的情況如圖7所示。由圖7可知:觀察不同湍流條件下橋墩墩周的流速等高線,發(fā)現(xiàn)大渦湍流模型墩后可以觀察到較復(fù)雜的流態(tài)分布,且存在明顯的尾渦脫落現(xiàn)象。橋墩正前方附近的水流由于橋墩的阻擋流速下降,向樁周運(yùn)動(dòng)形成繞流。與此同時(shí)受橋墩窄道加速原理,水流流速在墩側(cè)得到局部加快,這也是尾渦形成的重要原因。

圖7 墩周不同水位流速分布圖(Z=0.05 m)Fig.7 Velocity distribution of different water levels around the pier (Z=0.05 m)

基于Flow-3D數(shù)值模擬軟件,參考Melville經(jīng)典水槽實(shí)驗(yàn),建立圓柱形橋墩局部沖刷數(shù)值模型,進(jìn)行了大渦湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型的比較研究。在筆者研究的網(wǎng)格劃分條件下,大渦湍流模型的局部沖刷深度計(jì)算結(jié)果精度較高,且能夠更好地反映出圓柱橋墩墩周的復(fù)雜流態(tài)分布情況。通過(guò)兩種湍流模型的對(duì)比研究,大渦湍流模型在橋墩局部沖刷數(shù)值模擬中具有良好的求解精度,故在后續(xù)的研究中將選擇大渦湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

4 局部沖刷安全防護(hù)方法分析

橋梁的局部沖刷是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,包含水流、泥沙、結(jié)構(gòu)的相互作用,水流從墩周床面淘刷并帶走泥沙,減少橋梁基礎(chǔ)埋置深度。從水力宏觀的角度分析,水流的影響主要分為下降水流、馬蹄形漩渦以及尾渦。下降水流沖向河床,使該區(qū)域的床面泥沙達(dá)到啟動(dòng)速度,水流加速引起的馬蹄形漩渦,可將橋墩前端的泥沙揚(yáng)起,在下游區(qū)域產(chǎn)生的尾渦,將侵蝕墩后的泥沙,在三者的共同影響下,橋梁基礎(chǔ)周圍的泥沙不斷被搬運(yùn),逐漸形成沖刷坑。

4.1 犧牲樁防護(hù)作用分析

在水流的作用下,橋墩墩周會(huì)形成沖刷坑。在實(shí)際工程中,橋墩的局部沖刷是造成橋梁倒塌的重要原因,為減少局部沖刷對(duì)于橋梁安全的影響,通常會(huì)采用間接的方法對(duì)橋梁進(jìn)行安全防護(hù)。例如設(shè)置犧牲樁,犧牲樁的遮擋、擾流和泥沙回填作用可以減少下游橋墩的沖刷面積和深度。犧牲樁的沖刷緩解過(guò)程主要分為兩種方式。第一種情況,可以通過(guò)犧牲樁的設(shè)置,使橋墩前側(cè)的下降水流流速下降,產(chǎn)生降低了馬蹄形漩渦渦流強(qiáng)度的水力條件;另一種情況,犧牲樁的沖刷泥沙能夠?qū)υ谙掠蔚臉蚨諘?huì)產(chǎn)生回填效應(yīng),橋墩周圍的沖刷將得到緩解。沖刷緩解過(guò)程如圖8所示。

圖8 橋梁沖刷緩解過(guò)程Fig.8 Bridge scour relief process

為分析犧牲樁對(duì)于橋梁局部沖刷的影響,建立考慮犧牲樁防護(hù)的圓柱形橋墩沖刷數(shù)值模型。犧牲樁布置如圖9所示。犧牲樁的樁徑X選取0.25D,主要針對(duì)樁心距L分別為0.5D,D,1.5D工況及L為1.5D時(shí)犧牲樁直徑為0.5D的工況下的犧牲樁防護(hù)模擬,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格采用矩形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,根據(jù)上文研究情況,大渦湍流模型具有更高的求解精度,在最大沖刷深度計(jì)算與墩周流態(tài)模擬方面表現(xiàn)較好,故選擇大渦湍流模型進(jìn)行計(jì)算,模型邊界條件和上文設(shè)置條件相同。

圖9 犧牲樁布置圖Fig.9 Layout of sacrificial piles

在犧牲樁的影響下,墩周水流沿X方向的流速變化如圖10所示。由圖10可知:根據(jù)圖10(a,b)的對(duì)比,隨著犧牲樁與橋墩距離的不斷增大,犧牲樁對(duì)于橋墩流場(chǎng)的干擾不斷變強(qiáng),但當(dāng)樁心距達(dá)到圖10(c)中1.5D時(shí),犧牲樁對(duì)下游橋墩的流場(chǎng)干擾逐漸變小;根據(jù)圖10(c,d)的對(duì)比,犧牲樁的樁徑對(duì)流場(chǎng)干擾有較大的影響,樁徑越大,干擾強(qiáng)度越大。

圖10 不同犧牲樁布置下X方向的流速云圖Fig.10 Color cloud map of X-direction flow velocity under different sacrifice pile arrangements

不同犧牲樁布置下X方向的流速云圖如圖11所示。由圖11可知:下游橋墩由于受到上游犧牲樁的遮擋作用,受遮擋側(cè)的流速明顯要低于未遮擋側(cè)。上述樁位布置的實(shí)測(cè)河床等值線如圖12所示。

由圖12可知:在犧牲樁的作用下,橋墩的沖刷坑得到了來(lái)自犧牲樁沖刷泥沙的回填,沖刷深度有所減少,圖12中最大沖刷深度均出現(xiàn)在墩側(cè)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)直徑為X=0.25D的犧牲樁與橋墩上游面之間的距離為0.5D時(shí),可以看出最大沖刷深度為2.9 cm,對(duì)比上文運(yùn)用大渦湍流模型進(jìn)行的圓柱形橋墩數(shù)值模擬結(jié)果,沖刷深度相對(duì)于無(wú)犧牲樁條件下減少了26%;當(dāng)直徑為X=0.25D的犧牲樁與橋墩上游面之間的距離為D時(shí),可以看出最大沖刷深度為2.4 cm,沖刷深度相對(duì)于無(wú)犧牲樁條件下減少了38.4%;當(dāng)直徑為X=0.25D的犧牲樁與橋墩上游面之間的距離為1.5D時(shí),可以看出最大沖刷深度為3 cm,沖刷深度相對(duì)于無(wú)犧牲樁條件下減少了23.1%;當(dāng)直徑為X=0.5D的犧牲樁與橋墩上游面之間的距離為1.5D時(shí),可以看出最大沖刷深度為2.5 cm,沖刷深度相對(duì)于無(wú)犧牲樁條件下減少了35.9%。隨著樁心距的增大,犧牲樁對(duì)于橋墩的回填作用以及流場(chǎng)的干擾都會(huì)發(fā)生改變,下游橋墩的最大沖刷深度表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì),由此得出犧牲樁對(duì)下游橋墩的保護(hù)作用隨著樁心距的增加先增加,當(dāng)樁心距超過(guò)某臨界值時(shí)上游犧牲樁的保護(hù)作用隨之減小,即當(dāng)樁心距為D時(shí),犧牲樁的防護(hù)達(dá)到一個(gè)臨界值;而當(dāng)樁心距達(dá)到1.5D時(shí),犧牲樁和橋墩的沖刷情況基本相互獨(dú)立,下游橋墩沖刷范圍及深度與無(wú)犧牲樁時(shí)相似,這說(shuō)明隨著樁距的進(jìn)一步加大,犧牲樁對(duì)于橋墩的泥沙回填作用以及流場(chǎng)的干擾作用逐漸減弱,下游橋墩的局部沖刷深度及范圍將隨之增大,直到完全獨(dú)立。在選取的工況中,降低橋梁局部沖刷深度的最佳布置位置是上游犧牲樁樁徑為0.25D,樁心距為D。在這一最佳距離內(nèi),上游犧牲樁被沖刷的泥沙會(huì)被截留在下游橋墩形成的沖刷坑處,對(duì)下游橋橋墩的沖刷坑產(chǎn)生回填效應(yīng)。

4.2 犧牲樁+護(hù)圈防護(hù)作用分析

除了犧牲樁防護(hù)方法外,護(hù)圈也是常見(jiàn)的防護(hù)措施,其可以改變下降水流的走向,阻礙墩前向下射流的形成,減弱對(duì)于床面的沖擊。護(hù)圈具有防護(hù)效果好,適用于在建、已建的大多數(shù)橋梁以及后期維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì),但依然存在護(hù)圈的安裝高度靠近河床床面,對(duì)于服役情況較復(fù)雜的橋梁,安裝難度較大等缺點(diǎn)。

考慮犧牲樁與護(hù)圈共同作用時(shí)對(duì)于橋梁局部沖刷深度的影響,建立犧牲樁與護(hù)圈共同作用的圓柱形橋墩沖刷數(shù)值模型,對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估,具體工況及防護(hù)措施如表3和圖13所示。

沖刷起始階段縱向流速及垂向流速的縱剖面如圖14所示。

由圖14可知:來(lái)流水流在越過(guò)犧牲樁之后,流速得到初步下降,繼續(xù)向前發(fā)展沖擊橋墩轉(zhuǎn)而向下,在路徑上受到護(hù)圈的阻擋,下降水流的行進(jìn)路線被有效阻斷,耗散了沖擊動(dòng)能,流速相應(yīng)大幅減小,與此同時(shí),下降水流流速的減小也減弱了馬蹄形漩渦的強(qiáng)度。在犧牲樁和護(hù)圈的共同作用下,形成局部沖刷主要原因的下降水流和馬蹄形漩渦都受到了削弱,橋梁局部沖刷得到了緩解。

采用防護(hù)措施時(shí)會(huì)破壞并重構(gòu)墩周流場(chǎng),相應(yīng)的,也會(huì)得到不同形態(tài)的局部沖刷坑,具體情況如圖15所示。由圖15可清晰地看到防護(hù)前、后的局部沖刷坑形態(tài)對(duì)比情況,犧牲樁的存在擴(kuò)大了沖刷坑的范圍,從犧牲樁前緣擴(kuò)展成一個(gè)“扇形”,樁前及樁側(cè)的沖刷量均得到了較好的抑制,在犧牲樁和護(hù)圈共同作用下,最大沖刷深度位置出現(xiàn)在樁側(cè),且樁側(cè)的沖刷范圍均有所延展。由數(shù)值模擬結(jié)果可知:護(hù)圈與犧牲樁的結(jié)合,使得防護(hù)效果十分顯著,護(hù)圈防護(hù)與犧牲樁防護(hù)的結(jié)合,使得最大沖刷削減了43.7%,防護(hù)效果優(yōu)于僅犧牲樁進(jìn)行防護(hù)。

圖15 防護(hù)前后河床高程等高線對(duì)比圖Fig.15 Comparison of terrain elevation contour before and after protection

在設(shè)置犧牲樁的基礎(chǔ)上,考慮犧牲樁和護(hù)圈共同作用時(shí)對(duì)于橋梁局部沖刷的影響,建立犧牲樁與護(hù)圈共同作用的圓柱形橋墩沖刷數(shù)值模型,由數(shù)值模擬結(jié)果可知,在犧牲樁與護(hù)圈共同作用下,橋梁最大沖刷深度進(jìn)一步得到了削弱,防護(hù)效果較好。未來(lái)可對(duì)護(hù)圈防護(hù)開(kāi)展深入研究,分析護(hù)圈的不同形式以及材質(zhì)等對(duì)于橋梁最大沖刷深度的影響。

5 結(jié) 論

基于Flow-3D軟件,對(duì)比研究大渦湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型的計(jì)算精度,進(jìn)而對(duì)圓柱形橋墩局部沖刷安全防護(hù)方法進(jìn)行數(shù)值模擬研究。參考Melville經(jīng)典水槽實(shí)驗(yàn),使用兩種湍流模型對(duì)圓柱橋墩局部沖刷進(jìn)行比較研究,在筆者研究的網(wǎng)格劃分條件下,對(duì)比局部沖刷深度計(jì)算結(jié)果,大渦湍流模型的計(jì)算精度較高;對(duì)比墩周流態(tài)計(jì)算結(jié)果,大渦湍流模型相較標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型能夠更好的反映圓柱橋墩周圍復(fù)雜流態(tài)分布以及尾渦脫落的現(xiàn)象。運(yùn)用大渦湍流模型,對(duì)局部沖刷安全防護(hù)方法進(jìn)行分析,基于考慮不同樁徑以及樁心距的犧牲樁防護(hù)方法和“犧牲樁+護(hù)圈”共同作用的防護(hù)方法,分別建立數(shù)值模型,研究分析顯示犧牲樁的泥沙回填作用以及對(duì)于橋墩流場(chǎng)的干擾作用會(huì)受到犧牲樁樁徑、樁心距影響,選取合適的犧牲樁樁徑、樁心距能夠有效地削弱橋梁最大沖刷深度,在選取的工況條件下,當(dāng)犧牲樁樁徑取0.25D,樁心距取D時(shí)犧牲樁防護(hù)效果最佳,最大沖刷深度削弱了38.4%;當(dāng)犧牲樁與護(hù)圈共同作用時(shí),能夠同時(shí)減弱下降水流以及馬蹄形漩渦對(duì)于橋梁局部沖刷的影響,進(jìn)一步削弱橋梁最大沖刷深度,防護(hù)效果較好。未來(lái),筆者將開(kāi)展對(duì)于護(hù)圈防護(hù)的研究,考慮護(hù)圈的不同形式以及材質(zhì)等因素對(duì)于橋梁最大沖刷深度的影響,進(jìn)一步為橋梁沖刷安全防護(hù)提供參考。